Công Cụ Mới Cho Dự Báo Nổ Núi Lửa: Drone Thu CO2

Mỗi khi Fiona D’Arcy lao xuống một núi lửa—cô đã ghé thăm 34 nơi cho đến nay—trải nghiệm luôn độc đáo. Có một nơi ở Iceland mà sương mù đến nỗi cô và đồng nghiệp bị lạc. Kho crater ở Hawaii nơi người chồng hiện tại của cô cầu hôn. Núi lửa ở Costa Rican phun trào khi cô và những người khác đang ở bên trong. (Họ thoát được.)

Nhưng mọi cuộc lạc xuống đều có một điểm chung: cảm giác lo lắng lớn khi ở trong một trong những môi trường tự nhiên nguy hiểm nhất trên Trái Đất. Đối với các nhà khoa học cố gắng mô tả nổ núi lửa, đây là một rủi ro cần thiết. “Suốt thời gian đó, chúng tôi luôn ý thức rằng chúng tôi cần lấy dữ liệu của mình và rời đi—vì bất cứ điều gì cũng có thể xảy ra,” D’Arcy nói, người nghiên cứu về địa hóa học núi lửa làm nghiên cứu sau đại học tại Đại học McGill. Những nhà nghiên cứu có kinh nghiệm nhớ những nhà nghiên cứu ba người chết vào năm 1991 khi núi Unzen phun trào ở Nhật Bản và sự phun trào của Galeras năm 1993, làm mắc kẹt và giết chết sáu người trong crater.

Chính vì vậy, giống như những người khác trong lĩnh vực, D’Arcy muốn biết liệu có một phương án an toàn hơn để leo vào bụng của quái vật—liệu một chiếc drone điều khiển từ xa có thể làm công việc cũng tốt không? Có, cô và đội của cô mới đây đã viết trong Tạp chí Volcanology and Geothermal Research. Dữ liệu drone từ khí quyển tạo ra đo lường nhanh chóng và đáng tin cậy về sự phát thải carbon dioxide, họ kết luận trong bài báo đầu tiên chứng minh rằng đó là một phương án khả thi.

Để kiểm tra phương pháp, vào tháng 4 năm 2019, D’Arcy đã bay những chiếc drone lấy mẫu vào những cột khí nóng, độc hại phát ra từ Poás, một núi lửa ở Costa Rica đã phun trào mạnh chỉ hai năm trước đó. Đội cũng đi bộ vào crater để đo lường CO₂ trực tiếp từ mặt đất. Chuyến đi bộ mất hơn bốn giờ. Chuyến bay của drone chỉ mất vài phút. Nhưng dữ liệu là đáng kinh ngạc giống nhau. “Sẽ dễ dàng hơn nhiều khi điều này trở thành điều thông thường,” D’Arcy nói. “Chúng tôi có thể lấy những mẫu này mà không cần ai phải vào trong và đảm đương rủi ro.”

Phương pháp mở ra khả năng lấy mẫu thường xuyên hơn, có thể giúp sâu rộng hiểu biết về cách nồng độ khí thay đổi ở các giai đoạn khác nhau của hoạt động núi lửa. Điều này cũng có thể dẫn đến dự báo nổ núi chính xác hơn. Cuối cùng, núi lửa nổi tiếng khó dự đoán. Chắc chắn, đôi khi có những dấu hiệu cảnh báo: khí mới, động đất hoặc sự sưng lên đáng ngờ khi magma lên dưới lòng đất. Nhưng đôi khi, mặc dù có những gợi ý này, không có gì xảy ra. Hoặc không có dấu hiệu gì cả, nhưng một vụ nổ vẫn xảy ra. Điều đó đã xảy ra vào năm 2019, khi một núi lửa ở New Zealand bất ngờ phun trào, đẩy tro, khói và khí độc hại hàng dặm vào không trung và giết chết gần mười du khách. Điều tương tự cũng xảy ra vào năm 2021, khi núi Nyiragongo ở Congo nứt ra, làm rò rỉ lava vào các thị trấn lân cận, để lại rất ít thời gian để sơ tán.

Việc lấy mẫu thường xuyên hơn có thể điền vào khoảng trống dữ liệu đó. Những nhà nghiên cứu cần thông tin trải qua nhiều năm, đặc biệt là trong những giai đoạn ngay trước và trong khi núi lửa phun trào. “Đó là lúc quan trọng nhất,” Maarten de Moor, một nhà nghiên cứu tại Trạm quan sát Núi lửa và Địa chấn Costa Rica, người đồng tác giả nghiên cứu, nói. “Nhưng luôn có mâu thuẫn này. Điều đó đủ an toàn cho tôi để đi và lấy mẫu không? Việc lấy mẫu có đáng để đặt tính mạng của tôi vào rủi ro không?”

Lượng carbon dioxide được xả ra đặc biệt quan trọng vì nó tạo áp suất có thể dẫn đến nổ núi. (Giống như việc lắc một chai nước ngọt, D’Arcy nói. Khi bạn mở nó, CO₂ làm cho nước ngọt phun ra.) Điều này là một trong những điểm dữ liệu mà các nhà nghiên cứu đã so sánh tại Poás. Từ điểm ngắm du khách, D’Arcy lái những chiếc quadcopter sẵn có được trang bị bơm khí, van và cảm biến trực tiếp vào cột khói của núi lửa. Thiết lập drone mô phỏng cách các nhà khoa học có thể lấy CO₂ bằng tay: Chỉ cần nhấn một nút, bơm khí sẽ mở, đưa không khí xung quanh qua một van một chiều vào một túi lấy mẫu nhỏ để lưu trữ. Sau đó, đội của D’Arcy sẽ kết nối túi với một spectrometer ring-down cavity, một thiết bị sử dụng cho cảm biến khí, để đo lường nồng độ CO₂.

Cô và đội của cô đã lái những chiếc drone này trong khi họ đứng bên trong crater để so sánh các đo lường khí quyển xa với những đo lường gần nguồn. Họ cũng sử dụng các kỹ thuật lấy mẫu truyền thống dựa trên mặt đất để thu thập CO₂ trực tiếp từ các lỗ thông khí của núi lửa.

Với dữ liệu từ drone, các nhà nghiên cứu phát hiện nồng độ cao hơn 23% so với mức khí quyển bình thường, cho thấy rằng—mặc dù đo lường từ xa so với nguồn—mẫu chứa đủ CO₂ núi lửa để có thể phân biệt trong dữ liệu. Sau khi tính toán sự pha loãng, họ xác nhận lượng CO₂ khớp với mẫu từ mặt đất, chứng tỏ rằng drone có thể thay thế việc thu thập trực tiếp.

Đội cũng đo lường lượng CO₂ được tạo ra bởi carbon-13, một phiên bản nặng hơn một chút của nguyên tố, có 13 nơtron thay vì 12 như bình thường. Họ phát hiện Poás có nội dung carbon-13 cao đáng kể vào năm 2019 so với dữ liệu thu thập chỉ một tuần trước vụ phun trào năm 2017. Điều đó đáng chú ý, D’Arcy nói, vì nó gợi ý rằng mức carbon-13 có thể giảm sút ngay trước khi núi phun trào và tăng lên trong những khoảnh khắc yên bình—điều có ích để theo dõi trong các chuyến bay drone tương lai.

“Việc sử dụng drone để lấy mẫu khí này giúp chúng ta hiểu được cơ chế có thể dẫn đến nổ núi lửa—và làm điều đó một cách an toàn,” Benjamin Jordan, một nhà nghiên cứu núi lửa tại Đại học Brigham Young-Hawaii, người không tham gia vào công việc, nói.

Tuy nhiên, drone cũng đối mặt với những thách thức riêng: Ở Poás, đội của D’Arcy đã mất ba chiếc. (Một chiếc bay ra khỏi phạm vi và ngừng phản hồi tín hiệu, và một chiếc bị đầu cánh nó vướng lên với thiết bị lấy mẫu khí và đâm đất. Một chiếc thứ ba, được gửi ra để tìm chiếc thứ hai, đột nhiên rơi ra khỏi bầu trời.) Tuy nhiên, trang thiết bị này khá dễ thay thế, có giá chỉ vài nghìn đô la mỗi chiếc—rẻ so với các tiêu chuẩn nghiên cứu. “Giá trị của một sinh mạng con người là vô hạn,” Jordan nói. “Bằng cách sử dụng drone, bạn loại bỏ rủi ro đó.”

Các nhà nghiên cứu có thể không bao giờ ngừng khám phá bên trong núi lửa; đó không thể phủ nhận là nguy hiểm, nhưng trải nghiệm cũng không giống như bất cứ trải nghiệm nào khác. “Đó là một trải nghiệm rất khiêm tốn,” de Moor nói, người thường xuyên đến Poás khoảng một lần mỗi tháng. “Một cảm giác gần như tâm linh vì bạn thực sự không cảm thấy mình thuộc về nơi này, trong môi trường thù địch như vậy.”

Anh ấy tưởng tượng rằng một ngày nào đó, công nghệ drone núi lửa có thể giống như đến từ một bộ phim khoa học viễn tưởng: các thiết bị tự bay tinh tế, được tối ưu hóa để chống chịu điều kiện địa chất kinh hoàng nhất trên Trái Đất. “Và sau đó,” de Moor nói, “chúng ta sẽ học được rất nhiều.”